美国宇航局正在探查突破极限的超亮X射线源

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在这幅超亮X射线源的插图中，两条热气体河被拉到中子星的表面。以绿色显示的强磁场可能会改变中子星表面附近物质和光的相互作用，增加它们的亮度。资料来源：NASA/JPL-加州理工学院

被称为超亮X射线源的奇异宇宙物体产生的能量比太阳多1000万倍。事实上，它们是如此的辐射，以至于它们似乎超过了一个叫做爱丁顿极限的物理边界，它根据物体的质量对物体的亮度设置了上限。超亮X射线源（简称ULX）经常超过这个极限100到500倍，让科学家们感到困惑。

在最近发表在《天体物理学杂志》上的一项研究中，研究人员报告了美国宇航局核光谱望远镜阵列（NuSTAR）首次对ULX进行的测量。这一发现证实，这些光发射器确实像它们看起来一样明亮，并且它们打破了爱丁顿极限。一个假设表明，这种突破极限的亮度是由于ULX的强磁场。但科学家只能通过观察来验证这一想法：ULX磁场比地球上有史以来最强的磁铁强大数十亿倍，无法在实验室中重现。

突破极限

光粒子，称为光子，对它们遇到的物体施加小的推动力。如果像ULX这样的宇宙物体每平方英尺发出足够的光，光子的向外推力可以压倒物体引力的向内拉力。当这种情况发生时，一个物体已经达到了爱丁顿极限，来自物体的光理论上会推开任何落向它的气体或其他物质。

当光线压倒重力时，这种开关很重要，因为落在ULX上的材料是其亮度的来源。这是科学家经常在黑洞中观察到的：当它们强大的引力吸收杂散气体和尘埃时，这些材料会加热并辐射光。科学家们曾经认为ULX一定是被明亮的气体库包围的黑洞。

但在2014年，NuSTAR数据显示，名为M82 X-2的ULX实际上是一个质量较小的物体，称为中子星。像黑洞一样，中子星在恒星死亡和坍缩时形成，将超过太阳质量的中子星包装在一个比中型城市大不了多少的区域。

来自 ObsID 30101045002 的脉动检测和轨道/自旋参数细化示例。彩色图显示了三参数网格中的瑞利搜索，使用自旋频率、自旋先导数和近星天体通道 Tasc 的漂移。相反，右侧的角图显示了瑞利搜索结果的改进，并添加了脉冲相位，使用Pletsch&Clark（2015）的贝叶斯方法拟合。例如，如果 dF0-5 为 −0.03，初始 F0 为 0.725，则意味着最佳拟合频率为 0.725 − 0.03 ·10−5 Hz. 资料来源：天体物理学杂志（2022 年）。DOI： 10.3847/1538-4357/ac8d67

这种令人难以置信的密度还在中子星表面产生了比地球表面引力强约100万亿倍的引力。被这种引力拖入的气体和其他物质加速到每小时数百万英里，当它们撞击中子星表面时释放出巨大的能量。（掉落在中子星表面的棉花糖会用一千枚氢弹的能量击中它。这产生了NuSTAR探测到的高能X射线。

最近的研究针对2014年发现的核心相同的ULX，发现像宇宙寄生虫一样，M82 X-2每年从邻近恒星窃取约90亿万亿吨物质，或大约是地球质量的1 1/2倍。知道撞击中子星表面的物质数量，科学家们可以估计ULX应该有多亮，他们的计算与其亮度的独立测量相匹配。工作证实M82 X-2超过了爱丁顿的限制。

没有幻想

如果科学家能够确认更多ULX的亮度，他们可能会提出一个挥之不去的假设，该假设将解释这些物体的表观亮度，而ULX不必超过爱丁顿极限。基于对其他宇宙物体的观察，该假设强风在光源周围形成一个空心锥体，将大部分发射集中在一个方向上。如果直接指向地球，锥体可能会产生一种视错觉，使其看起来好像ULX超过了亮度限制。

即使某些ULX是这种情况，新研究支持的另一种假设表明，强磁场将粗略的球形原子扭曲成细长的弦状形状。这将降低光子将原子推开的能力，最终增加物体的最大可能亮度。

“这些观测结果让我们看到了这些令人难以置信的强磁场的影响，我们用目前的技术永远无法在地球上重现，”意大利国家天体物理研究所卡利亚里天文台的天体物理学家Matteo Bachetti说。“这就是天文学的美妙之处。观察天空，我们扩展了研究宇宙如何运作的能力。另一方面，我们无法真正建立实验来快速获得答案;我们必须等待宇宙向我们展示它的秘密。

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原标题：《『美国宇航局正在探查突破极限的超亮X射线源》

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